挺立潮頭之上，引領碳化硅陶瓷3D打印智造

來源：升華三維


在現(xiàn)有的特種陶瓷材料體系中，碳化硅陶瓷具有強度高、硬度高、化學性能穩(wěn)定、導熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性能好等優(yōu)異性能，性價比優(yōu)勢明顯，已成為航空航天、汽車、新能源、電子信息等領域中不可替代的關鍵材料。

特別是大型復雜碳化硅陶瓷構件的產業(yè)化整體制造技術，對航空航天、軍工、新能源和半導體等國家安全和前沿技術發(fā)展有著重要的戰(zhàn)略意義。然而由于碳化硅陶瓷材料具有缺陷敏感性強、高溫燒結變形大、燒結后難以加工等特點，因而大型復雜碳化硅陶瓷構件的整體制備及產業(yè)化成為世界性難題。

3D打印碳化硅
盡管熱等靜壓、擠壓和注射成型已廣泛用于碳化硅陶瓷產品的制備，但其昂貴的成本和較長的交貨時間使得這些技術難以用于原型制作和中小批量零件的生產。而3D打印技術作為高端設備制造及修復領域的重要技術手段，始終致力于解決傳統(tǒng)制造工藝提出的挑戰(zhàn)，在實現(xiàn)特種陶瓷無模成形、縮減產品設計周期、精細陶瓷微結構等方面發(fā)揮著極其重要的作用，并有望推動陶瓷3D打印成為極具吸引力的增長極。

△碳化硅陶瓷在飛機發(fā)動機上的應用（圖片來源：網絡）

目前關于碳化硅陶瓷制備的3D打印方法廣受關注與研究。其相關的技術主要有SLS(選區(qū)激光燒結)、SLA(立體光刻)、DIW（直接墨水書寫）和BJP(粘結劑噴射)。經過測試與認證，陶瓷材料不能通過激光加熱陶瓷粉末直接打印。直接SLS制件在燒結過程中產生的熱應力難以避免產生裂紋，導致最終產品力學性能較差。而SLA是一種基于光敏陶瓷漿料光聚合的有效紫外光固化技術。對于碳化硅粉末，其顏色通常為灰色或深色，碳化硅顆粒的顏色明顯影響其透光性能和固化能力。而DIW通過噴嘴以特定圖案逐層擠出高陶瓷含量的漿料，以生產三維零件，要求漿料均勻、穩(wěn)定、剪切稀化、不結塊。同時，還需要具有快速固化能力，特別是對于無支撐的斜面印刷，與上述SLA和SLS相比，分辨率一直是一個問題。BJP可以快速打印復雜形狀，同時保持打印精度。然而，BJP限制了粉末填充密度，導致SiC體積分數(shù)受限。采用SLS或BJP方法制備高密度SiC陶瓷時，會加入PIP、CVI和CIP等后處理工藝步驟，提高固含量和碳密度，這勢必會降低3D打印的優(yōu)勢。

國內從事粉末擠出3D打印技術研發(fā)的升華三維表示：“碳化硅陶瓷的制備一直是特種陶瓷3D打印技術進一步拓展的挑戰(zhàn)之一，因為碳化硅陶瓷材料在成型過程中會出現(xiàn)缺陷，比如氣孔、裂紋、不均一性等，成型陶瓷器件難以抵抗脆性斷裂，極大地限制了其機械性能。我們很高興能夠成為通過粉末擠出3D打印技術將碳化硅陶瓷制備成功商業(yè)化的3D打印公司，這為生產高性能碳化硅陶瓷零件打開了大門�！�

航空航天等領域的應用
在高端裝備制造領域，3D打印設備正在成為重要的生產工具。由升華三維自主研發(fā)的工業(yè)型獨立雙噴嘴3D打印機UPS-250及大尺寸獨立雙噴嘴3D打印機UPS-556通過搭載雙噴嘴設計，已實現(xiàn)碳化硅陶瓷基復合材料的開發(fā)和復雜結構的成形，成功進入到我國航天航空、核工業(yè)、汽車等高端制造領域，成為促進中國制造創(chuàng)新、轉型升級的新工具，具有很高的應用價值。以下列舉相關系列應用：

△3D打印碳化硅陶瓷樣品（樣品來源：升華三維）

• 衛(wèi)星反射鏡：將熱加工過程轉移到燒結步驟以更好地進行熱應力管理，在實現(xiàn)同樣的光學口徑和精度要求時，3D打印的碳化硅輕質反射鏡可實現(xiàn)大尺寸一體成型，同時具有更優(yōu)的熱穩(wěn)定性、產品性能一致性強。
• 火箭噴嘴：碳化硅陶瓷是此項目的重要材料，能夠承受極端溫度和壓力，同時保持輕巧。
• 發(fā)動機渦輪：3D打印碳化硅陶瓷渦輪可滿足高推重比航空發(fā)動機對高溫部件的性能要求，可使發(fā)動機工作溫度提高300～500℃，結構減重50％～70％，推力提高30％～100％。
• 剎車盤：碳化硅陶瓷剎車盤能有效而穩(wěn)定地抵抗熱衰退，其耐熱效果比普通剎車盤高出許多倍；同時更輕的剎車盤也令懸掛系統(tǒng)的反應更快，因而能夠提升車輛整體的操控水平。
• 吸盤/托盤：3D打印碳化硅吸盤/托盤，可實現(xiàn)大尺寸、高精度、中空、閉孔等結構陶瓷零部件的制備，達到高度輕量化的同時保持強度和剛度。
• 傲立潮頭的粉末擠出3D打印技術
  

粉末擠出3D打印技術是一種專為陶瓷/金屬材料使用的增材制造系統(tǒng)，發(fā)布于2016年，由3D打印機、脫脂爐和燒結爐組成，提供一整套陶瓷·金屬間接3D打印解決方案，讓客戶制造出具有出色表面光潔度和高機械性能的高性能產品�；�于此技術優(yōu)勢，升華三維已實現(xiàn)碳化硅陶瓷復雜結構部件的大尺寸、輕量化、一體化制備。
Uprise 3D打印機通過擠出粘合的碳化硅陶瓷粉末（聚合物粘合劑與碳化硅陶瓷粉末材料進行配比），逐層成型生坯。由于擠壓噴頭系統(tǒng)構造原理和操作簡單，縮減了對激光器件的投入和維護成本，同時啟用了新功能，例如使用晶格填充設置來實現(xiàn)輕質強度。

生坯打印完成后，將碳化硅陶瓷零部件浸泡于恒溫水中進行脫脂，粘合劑被去除，然后采用燒結爐保持空氣氛圍，確保均勻加熱和冷卻，而不會有殘余應力。最后碳化硅陶瓷顆粒融合在一起，使零件致密化高達99%。

△升華三維碳化硅陶瓷燒結件力學性能

經測試，3D打印碳化硅陶瓷組件的表現(xiàn)優(yōu)于行業(yè)標準。同時，在汽車和航空航天等行業(yè)先進陶瓷基復合材料的開發(fā)過程中，這一工藝也在不斷鞏固增材制造的前沿地位。

一年前，上海硅酸鹽研究所在升華三維訂購了一套大尺寸獨立雙噴嘴打印機UPS-556系統(tǒng)，藉由展開的高性能結構陶瓷和陶瓷基復合材料等應用的研究近期取得進展，并成功制備了碳化硅陶瓷光學元件等高附加值組件，獲得廣泛關注。

△上海硅酸鹽研究所利用UPS-556成功制備的碳化硅陶瓷光學元件及其性能
（*相關資料及數(shù)據(jù)來自研究團隊已公開專利）

作為陶瓷·金屬間接3D打印的廠商，升華三維目前正在借助粉末擠出3D打印技術，不斷實現(xiàn)碳化硅陶瓷復合材料等更多先進陶瓷材料的開發(fā)和成型，加速公司在高端領域的應用創(chuàng)新。升華三維研究團隊表示，升華三維的技術能夠實現(xiàn)航空航天、軍工和衛(wèi)星設計所需的高性能、輕量化、精細微結構的要求，而在未來更多的合作機會中，公司將為造福社會和人類做出更多貢獻。